水力造穴控制压裂技术研究.pdf

2020年第24期/总第318期 0前言 在水力压裂实施过程中， 为了模拟裂缝开裂延伸过程的复杂情况， 目前国内外已经 建立了多种裂缝的几何模型， 从简单的二维模型到三维模型， 各类模型越来越符合裂缝 的实际延伸过程[1]。 但在实际压裂中， 由于受各种地质因素的影响， 在地层复杂煤层中裂 缝会出现转向或向顶底板延伸或朝单一方向延伸， 造成裂隙无序扩展， 不能对目标区域 煤层实施有效压裂， 对此， 提出水力造穴控制压裂的方法， 即采用水力造穴技术定向预 置缝槽导向裂缝起裂及扩展， 在地应力作用下缝隙尖端形成剪切破坏区， 在高压水的作 用下裂缝在缝槽尖端起裂， 裂缝在尖端起裂后沿水平方向延伸。 在此基础上研发了水力 造穴控制压裂技术工艺，并在打通一煤矿 W1601E 瓦斯巷针对 M6-3 煤层进行了压裂 试验。 1水力造穴控制压裂的基本原理 1.1水力造穴控制压裂裂缝延展的机理 采用高压水力对煤体割缝在煤体中形成类圆盘状缝隙， 根据裂缝扩展原则， 即当垂 直应力大于水平应力时， 煤层实施压裂时裂缝均为垂直裂缝[2]。在研究水力割缝煤体起 裂及延伸机理时，只需研究裂缝在水平方向的起裂及延伸。水力割缝后形成圆盘状缝 隙， 在地应力的作用下使缝隙尖端产生应力集中， 当所受应力超过煤体抗拉强度时产生 剪切破坏区， 在其边缘依次形成圆环状破坏区、 塑性区、 弹性区[3]。 在实施水力压裂时， 在高压水力的作用下缝隙尖端首先破坏， 即裂缝在缝隙尖端起 裂。裂缝在缝隙尖端处起裂后， 裂缝的延伸方向受最大主应力方向控制， 即裂缝延伸方 向平行于最大主应力方向，垂直于最小主应力方向，从国内外大量裂缝延展的模型可 知， 在水平应力相等的条件下， 裂缝在起裂后会沿裂缝尖端延伸方向扩展。 1.2水力造穴控制压裂技术工艺 水力造穴也称 “水力割缝” ， 就是利用高压泵将水加压到 18耀25 MPa， 通过钻杆送入 切割喷嘴， 高压水通过切割喷嘴喷出形成高压水射流对煤体进行切割， 高压水混合煤泥 通过钻杆与孔壁间隙流出， 最终在煤体中形成直径 0.5耀2 m 深度的圆盘状缝隙。 按设计完成水力造穴后， 按照设计对钻孔进行下套封孔 （封孔至目标煤层底板） ， 然 水力造穴控制压裂技术研究 黄勇雷洪波杨先明高茂学 摘要 为增加水力压裂的影响范围， 解决裂缝无序扩展的难题， 本文提出采用 水力造穴技术定向预置缝槽导向裂缝起裂及扩展的控制压裂技术方 案，并在重庆能投渝新能源有限公司打通一煤矿 W1601E 瓦斯巷进行 了现场试验， 并将其同常规水力压裂技术进行了对比， 得出在 33 MPa 的水压下， 单孔压裂有效影响半径达为 40耀50 m， 压裂影响区域受压均 匀， 压裂影响面积比常规压裂增大 21， 注水时间缩短 7， 瓦斯抽采 量提高了 11， 取得了显著的效果， 具有良好的推广应用价值。 关键词 水力压裂； 水力造穴； 控制压裂； 瓦斯治理 中图分类号 TD825;TD712文献标识码 A DOI 10.19694/ki.issn2095-2457 . 2020 . 24 . 20 黄勇 本科袁通风助理工程师袁重庆能投渝 新能源有限公司打通一煤矿抽采科 副科长遥 雷洪波 重庆能投渝新能源有限公司打通 一煤矿遥 杨先明 重庆能投渝新能源有限公司打通 一煤矿遥 高茂学 重庆能投渝新能源有限公司打通 一煤矿遥 54 Science Technology Vision科技视界 后进行压裂， 通过高压泵将水逐步加压到 30 MPa 以上， 当高压 泵向煤层注水的速度超过煤岩层的吸收能力时， 则在煤岩层形 成高压， 当压力超过煤岩层破裂压力时， 煤岩层被压开并产生 裂缝， 若继续向煤岩层注水， 裂缝就会扩张， 从而形成大量缝 隙， 提高煤岩层透气性， 降低煤层瓦斯抽采难度。[4] 2现场实施 2.1试验地点基本情况 本次水力冲孔控制压裂试验选择在打通一煤矿西一区 W1601E 瓦斯巷进行，巷道底板标高为-39.3耀245 m，地面标 高690耀805 m， 压裂目标煤层为 M6-3 煤层。压裂孔施工时， 钻孔需从下向上依次穿过 M12耀M6-3 煤层。 根据相邻工作面地质资料， 该区域M6-3煤层平均煤厚0.7 m， M7-3 煤层平均煤厚 1.18 m， M8 煤层平均煤厚 2.6 m， M8 煤层 至 M7-3 煤层层间距为 7.6 m， M7-3 煤层至 M6-3 煤层层间距 为 5.4m， 空间分布为由上到下依次为 M6-3、 M7-3、 M8 煤层。 煤 岩层平均倾角 2毅， W1601 中瓦斯巷顶板距 M6-3 煤层顶板平均 70.8 m； W1601E 瓦斯巷顶板距 M6-3 煤层顶板平均 66.1 m； 西 一区-40 边界总回风巷顶板距 M6-3 煤层顶板平均 73.9 m。根 据矿井瓦斯基本参数考察台账， 该区域 M6-3 煤层原始瓦斯含 量 19.2 m3/t， M7-3 煤层原始瓦斯含量 21.98 m3/t， M8 煤层原始 瓦斯含量 25.71 m3/t。 2.2钻孔布置 W1601E 瓦斯巷共设计 23 个压裂钻场（共 35 个水力压裂 孔） ， 相邻钻场间距 50m， 奇数钻场每个钻场 2 个压裂孔， 每个 钻孔终孔于 M6-3 煤层顶板 0.5m； 偶数钻场每个钻场 1 个压裂 孔， 每个钻孔终孔于 M7-3 煤层顶板 0.5m。本次试验在 7 号、 9 号钻场实施， 7-1、 7-2 为水力造穴压裂孔， 9-1、 9-2 为常规水力 压裂孔。压裂孔采用水泥石膏机械封孔 （水颐水泥颐石膏10颐7颐3） ， 利用三次封孔技术封孔至目标煤层底板。 2.3水力压裂影响范围考察 为准确掌握水力造穴控制压裂的影响范围，本次试验采用 钻探的方法来考察压裂的影响范围。本次压裂效果检验钻孔在 压裂孔周围沿走向、 倾向的两侧四个方向施工， 检验孔与压裂钻 孔的距离分别为 20耀60 m， 共施工钻孔 29 个， 并在孔口安装能 承受 50 MPa 压力的压力表， 水力压裂后观察压力表的压力变化 情况， 当压力表上的压力发生变化时， 则说明水力压裂已经影响 到了检测钻孔位置， 否则说明压裂范围未到检测孔位置。 3试验结果分析 2018 年 10 月下旬完成了试验钻孔和检验钻孔的施工， 并 组织对 7-1、 7-2 试验钻孔进行了割缝和压裂， 2019 年在压裂 影响区域施工了掘进条带抽采钻孔。 3.1割缝情况 从割缝效果来看， 水力造穴控制压裂钻孔 7-1、 7-2 分别割 出煤量 296 kg、 385 kg， 计算割缝深度分别为 0.76 m、 0.86 m， 基 本符合预期要求。 3.2压裂情况 从压裂情况来看， 各试验钻孔压裂正常， 无明显压穿裂隙 现象， 平均注水压力为 33MPa， 每个孔注入水量 400 t。 从压裂时 间来看， 水力造穴的压裂钻孔平均每孔注水耗时 981 min， 常规 压裂孔为 1 050 min，水力造穴的压裂孔注水速度较常规压裂 快约 7。 3.3压裂效果分析 检验孔压力变化情况 7-2 压裂孔压裂后， 压裂孔以南 40 m、 以东 50 m、 以西 40 m、 以北 40 m 范围的测压孔压力显示有 明显的变化； 9-2 压裂孔压裂后， 压裂孔以南 30 m、 以东 60 m、 以西 40 m、 以北 30 m 范围的测压孔压力显示有明显的变化。 通 过计算常规压裂影响面积为 4 564.55 m2， 水力造穴控制压裂影 响面积为 5 524.95 m2，影响面积比常规压裂大 21。在压裂 4 周后各检验孔的压力变化得较均匀， 基本维持在 5 MPa 以下。 3.4瓦斯抽采效果分析 该区域掘进条带抽采钻孔钻场间距 8 m， 钻孔间距 7 m， 每 个钻场 9 个钻孔。从考察钻孔抽采 163 天的情况来看， 常规压 裂后平均单孔抽采量为 0.0 122 m3/min， 水力造穴控制压裂后平 均单孔抽采量为 0.0 135 m3/min， 瓦斯抽采量提高了 11。 4结论 （1） 初步形成了一套水力造穴控制压裂的施工工艺，“钻孔 施工水力造穴下套封孔压裂” 整个过程采取视频 监控， 确保了工程质量， 整个工艺实现一体化， 确保了施工的安 全， 降低了施工成本， 提高了效率， 水力压裂钻孔下套、 封孔、 压 裂成功率 100。 （2） 经试验考察， 钻孔倾角越大越有利于钻孔割缝排渣， 水 力造穴效果越好， 越有利于提高注水速度和裂缝的延展， 水力 造穴控制压裂对裂缝的延展方向能起到控制导向的作用， 压裂 影响半径为 40耀50 m， 压裂影响区域受压均匀， 压裂影响面积比 常规压裂增大 21， 注水时间缩短 7， 瓦斯抽采量提高 11。 （3） 建议实施水力压裂后保压期设置为 1 个月， 压裂区域 的压力平衡后再放水， 然后进行抽采钻孔的施工， 促使在平衡 压力时煤层进一步被充分改造， 有利于瓦斯的解析释放， 以便 于提高瓦斯抽采效果。 参考文献 [1]刘建军.水力压裂三维数学模型研究[J].岩石力学与工程学报， 2003， 12. [2]夏彬伟.井下煤层水力压裂裂缝导向机理及方法[J].重庆大学学报， 2013， 9. [3]唐建新.钻孔中煤体割缝的高压水射流装置设计及试验[J].岩土力学， 2007， 7. [4]高茂学.大孔径、 大流量水力增透抽采技术研究及应用[C].重庆市煤炭学会会 议论文集， 2017. 55